TTS Moduł 4

Wykład

Wykład ten jest poświęcony światłowodom włóknistym stosowanym w telekomunikacji optycznej. W ostatnich latach bardzo szybko rośnie ilość przesyłanych danych. Wzrost ten wymusza poszukiwania szerokoprzepustowych mediów transmisyjnych. Odpowiedzią na ten problem są właśnie światłowody krzemowe, które charakteryzują się ogromną przepustowością i bardzo małym tłumieniem w porównaniu z wcześniej stosowanymi kablami miedzianymi. Światłowód wykonany ze szkła kwarcowego jest prowadnicą falową o właściwościach, które możemy nazwać nadzwyczajnymi. Uważamy tak, gdyż tłumienie sygnału optycznego w pewnym zakresie długości fali jest nadzwyczajnie małe. Nie znaleźliśmy drugiego podobnego materiału. Dar natury! Światłowody włókniste mają wiele zalet. Najważniejszymi z nich są: bardzo małe tłumienie bardzo szerokie pasmo małe wymiary i niewielka waga dobra elastyczność odporność na korozję

---

Na kolejnych slajdach omówione zostaną najważniejsze parametry światłowodów, jak i zjawiska które występują podczas propagacji sygnałów. Przedstawiony zostanie wpływ tłumienia i zjawiska dyspersji na jakość odbieranego sygnału. Równania Maxwella opisują matematycznie proces transmisji sygnału optycznego przez światłowód. Rozwiązania uzyskuje się numerycznie i nie są one proste w interpretacji. Na poziomie naszego wykładu nie podamy tych rozwiązań, a jedynie opiszemy wnioski. Chcąc dowiedzieć się więcej na temat dokładnych rozwiązań należy sięgnąć do pozycji książkowych. Wykład kończy się wnioskami, z których wynika, że światłowody kwarcowe są doskonałymi liniami transmisyjnymi przede wszystkim ze względu na małe tłumienie, ogromne pasmo pracy, trudności zewnętrznego zakłócenia transmisji, małe koszty czy lekkość.

---

Światłowód włóknisty to cylindryczny falowód dielektryczny, wykonany z niskostratnego materiału, zwykle ze szkła kwarcowego. Rdzeń światłowodu ma współczynnik załamania większy, niż ośrodek go otaczający – płaszcz. Współczynnik załamania rdzenia jest nieznacznie większy niż płaszcza, zwykle różnica ta wynosi mniej niż 1%. Chcąc zrozumieć w jaki sposób prowadzona jest fala w światłowodach należy przypomnieć sobie jedno z podstawowych praw optyki - prawo załamania, które opisuje zachowanie się promieniowania optycznego przy przechodzeniu przez granicę ośrodków o różnych współczynnikach załamania. W zależności od kąta padania fala świetlna może zostać załamana, lub część wiązki może zostać załamana a pozostała część zostanie odbita lub wiązka może zostać całkowicie odbita i propagować się wzdłuż falowodu. Tylko dla promieni padających pod kątem większym niż kąt graniczny promieniowanie zostaje całkowicie odbite co zapewnia małostratną propagację wzdłuż osi rdzenia światłowodu. I tylko dla takiego przypadku dochodzi do transmisji sygnału we włóknach światłowodowych.

---

Światłowody ze względu na ilość prowadzonych modów dzielimy na jedno- i wielomodowe. Na rysunku a) pokazano strukturę typowego światłowodu wielomodowego i drogę promieni wewnątrz rdzenia. Typowe stosunki wartości średnicy promienia do średnicy płaszcza dla światłowodów wielomodowych wynoszą: $\frac{50}{125}$; $\frac{62,5}{125}$; $\frac{85}{125}$; $\frac{100}{140}$. Aby wprowadzić promieniowanie do rdzenia należy światłowód oświetlić od strony czołowej. Tylko część promieniowania zostanie wprowadzona do rdzenia, ponieważ promienie padające pod zbyt dużym kątem zostaną wprowadzone do płaszcza lub wtedy kiedy kąt padania nie będzie spełniał warunku całkowitego wewnętrznego odbicia – rysunek b). Kąt graniczny określający największą wartość kąta padania, dla którego promieniowanie trafi do rdzenia nazywamy aperturą numeryczną (NA) lub stożkiem akceptacji. Apertura numeryczna jest jednym z głównych parametrów służącym do opisu szczególnie światłowodów wielomodowych. Określa własności światłowodów przy sprzęganiu z innymi światłowodami czy źródłami światła. Typowe wartości apertury numerycznej zawierają się w przedziale od 0,1 do 0,4. Rdzeń i płaszcz wykonane są z kwarcu. Różnice w wartości n=1,44,...1,48 uzyskuje się przez domieszkowanie. Wśród najczęściej stosowanych domieszek powodujących wzrost współczynnika załamania są: $Ge{O}_2$, fosfor, glin, chlor, natomiast domieszkowanie borem czy fluorem zmniejszenie wartości współczynnika załamania. Różnica wartości współczynników załamania jest niewielka około 1%, ogranicza ona wartość współczynnika $\mathrm{\Delta }$, który dla typowych światłowodów zawiera się w przedziale od 0,001 do 0,02.

---

Właściwości transmisyjne światłowodu określa jego profil współczynnika załamania. Najczęściej spotykanymi profilami są: profil skokowy i profil gradientowy dla światłowodów wielomodowych (zastosowanie światłowodu o takim profilu powoduje znaczną poprawę transmisji sygnałów co zobaczymy w dalszej części wykładu). Wyróżniamy dwa typy światłowodów o profilu skokowym: światłowody jednomodowe i wielomodowe. W światłowodzie o profilu skokowym (ang. Step–index fiber) wartość współczynnika załamania rdzenia $n_1$ maleje skokowo do wartości $n_2$ w płaszczu. Pierwsze wprowadzone do użycia światłowody miały średnice rdzenia w granicach $50-100\mu m$. Średnica ta była znacznie większa od długości fali $0,8-1,6\mu m$ sygnału transmitowanego przez światłowód. Przy takich wymiarach należało oczekiwać propagacji wielomodowej i dużych zniekształceń sygnałów. Dlatego bardzo ważnym jest dobór parametrów, tak aby światłowód był jednomodowy dla danego zakresu długości fali. Promieniowanie propagowane jest wzdłuż światłowodu w formie modów. Każdy mod charakteryzuje się innym przestrzennym rozkładem pola EM, innymi wartościami: stałej propagacji, prędkości grupowej i fazowej oraz polaryzacją i tłumieniem.

---

W światłowodzie propagowane są cztery rodzaje modów: TM, TE, HE i EH (hybrydowe). Ogólna postać zależności opisującej natężenie pola elektrycznego E przedstawiona została wzorem (1), gdzie f(r), β i q znajduje się dla poszczególnych modów rozwiązując równanie falowe. Liczba M propagowanych modów zależy od wartości stosunku promienia rdzenia do długości fali (a/λo). Wprowadza się parametr V, zwany też znormalizowaną częstotliwością. Na wykresie pokazano jak ze wzrostem parametru V, np. ze wzrostem promienia rdzenia, wzbudzają się kolejne mody w światłowodzie.

---

Dla parametru V>>1 liczba modów jest duża i mamy wtedy do czynienia ze światłowodem wielomodowym. W przypadku kiedy parametr V jest mniejszy od 2,405, propaguje się tylko jeden mod – mod podstawowy $H{E}_1{}_1$ o częstotliwości granicznej równej 0. Liczba modów światłowodowych zależy od następujących wielkości; promienia rdzenia, wartości współczynników załamania płaszcza i rdzenia, jak i długości propagowanej fali świetlnej. Trzeba zatem pamiętać, żeby tak dobierać parametry, aby czas przejścia modu podstawowego ($H{E}_1{}_1$) jak najmniej zależał od długości fali. Z wielu powodów sytuacja, gdy w światłowodzie propagowanych jest wiele modów nie jest korzystna. Każdy z modów ma inną prędkość fazową i grupową, co prowadzi do rozmywania się impulsów. Odpowiedzią na ten problem jest stosowanie światłowodów wielomodowych o profilu gradientowym czy najlepiej światłowodów jednomodowych. Zmniejszenie średnicy rdzenia prowadzi prosto do redukcji liczby modów, jednakże wykonanie światłowodu z rdzeniem o średnicy $10\mu m$ było początkowo poza zasięgiem możliwości technologicznych. Obecnie stosuje się w telekomunikacji włókna jednomodowe o średnicy rdzenia równej około $9\mu m$

---

Aby zmniejszyć liczbę modów przy zachowaniu średnicy rdzenia opracowano światłowód gradientowy. W światłowodzie o profilu gradientowym (ang. Graded–index fiber) współczynnik załamania zmienia się stopniowo od wartość $n_1$ maksymalnej na osi do wartości $n_2$ na granicy płaszcza. Współczynnik $\mathrm{\Delta }$ jest zwykle mały: $\mathrm{\Delta }$<<1. Najlepsze rezultaty uzyskuje się w przypadku, gdy profil zmian współczynnika załamania jest w przybliżeniu paraboliczny. W tym przypadku liczba modów jest dwukrotnie mniejsza, niż dla omówionego wcześniej światłowodu wielomodowego o profilu skokowym. Opanowanie technologii światłowodów z bardzo cienkim rdzeniem umożliwiło wykonanie światłowodu jednomodowego. Aby uzyskać małą wartość parametru $\mathrm{\Delta }$ różnica współczynników załamania rdzenia i płaszcza musi być niewielka i wynosi zaledwie około 0,005. Różnica między najmniejszą i największą wartością prędkości grupowej jest także mniejsza.

---

Fala rozchodząc się w światłowodzie traci energię głównie na skutek absorbcji i rozpraszania. Występują również straty wynikające ze struktury światłowodów (np. niekontrolowane zmiany współczynnika załamania, będące wynikiem niedoskonałej technologii wyciągania włókna). Tłumienie powoduje zmniejszenie mocy sygnału nie wpływa natomiast na jego kształt impulsów. Tłumienie światłowodów w głównej mierze zależy od długości fali świetlnej, jak i od rodzaju i czystości szkła. Tłumienność światłowodów wyraża się w dB/km i określa się ją z zależności opisanej wzorem (3). Obecnie produkowane światłowody odznaczają się współczynnikiem załamania poniżej 0,2 dB/km, co oznacza, że straty mocy po przejściu sygnału na odległość 1 km wynoszą 4,5%. Z wykresu przedstawionym na rysunku a) widać, że w pasmie 900-1700 nm tłumienie osiąga wartości minimalne. W tym też obszarze wyróżnia się następujące użyteczne pasma światłowodu: Okno 1, historyczne w bliskiej podczerwieni, wokół 850 nm ${\alpha }_d{}_B=2-3dB/km$. Okno 2, bardzo popularne, wokół 1300 nm ${\alpha }_d{}_B=0,5dB/km$. Okno 3, wokół 1550 nm, o najmniejszym tłumieniu ${\alpha }_d{}_B=0,2dB/km$.

---

Przyczyny pochłaniania promieniowania w światłowodach: w zakresie podczerwieni pochłanianie powoduje drganie molekuł, w zakresie krótkofalowym pochłanianie związane jest z pobudzaniem molekuł i atomów, obecność zanieczyszczeń (w szczególności jonów metali i $O{H}^{-}$, powoduje zwiększenie stałej tłumienia. Rozproszenie Rayleigh’a wywołane jest lokalnymi niejednorodnościami (o rozmiarach mniejszych od długości fali), które rozpraszają część mocy, powodując odbicia i rozproszenie promieniowania poza światłowód. Moc rozproszona rośnie proporcjonalnie do $f^4\sim 1/{\lambda }^4$, znaczenie rozproszenia Rayleigh’a jest dominującym w pasmie ultrafioletu, czyli rozpraszanie Rayleigh’a maleje wraz ze wzrostem długości fali. Innym typem rozpraszania jest rozpraszanie Mie, które powstaje na skutek niedoskonałej struktury światłowodu (np. zmiana współczynnika załamania wzdłuż osi światłowodu, zmiany średnicy rdzenia). Dwa zalecane zakresy długości fal to okno 2 i okno 3. Dla długości fali 1550 nm światłowody kwarcowe mają najmniejszą tłumienność, która wynosi poniżej 0,2 dB/km. Ponadto przy dużych gęstościach energii należy uwzględnić straty wprowadzane przez wymuszone rozproszenie Ramana czy Brillouina (zjawiska nieliniowe). Do kompensacji tłumienia używa się wzmacniaczy światłowodowych EDFA (ang. Erbium-Doped Fibre Amplifier) lub półprzewodnikowych.

---

Poza tłumieniem bardzo ważnym zjawiskiem występującym w światłowodach jest dyspersja, czyli zależność parametrów ośrodka od częstotliwości. Efektem dyspersji jest rozmycie czasowe impulsów, co w rezultacie ogranicza szybkość transmisji. Efektem dyspersji modowej polega jest, że mody lub sygnały o różnych częstotliwościach propagują się światłowodem z różnymi częstotliwościami. Gdy sygnał jest kompozycją modów/częstotliwości, to dyspersja powoduje powstanie zniekształceń. Efekt dyspersji pokazany został na rysunku c). W miarę transmisji – poza oczekiwanymi efektami tłumienia – impulsy poszerzają się i „rozmywają”. Impulsy stają się nierozróżnialne, ponieważ łączą się w miarę poszerzania. Ponadto w miejscu „0” pojawia się sygnał, który może być odczytany jako „1”. W światłowodzie wielomodowym pobudzane jest wiele modów, każdy wędruje samodzielnie z różną prędkością. Impuls wejściowy rozszczepia się. Efekt ten, to dyspersja modowa. Gdy światłowodem propaguje się wiele modów, to mechanizm dyspersji modowej dominuje.

---

Prędkości grupowe modów w światłowodzie wielomodowym mieszczą się w granicach od $c_1$ do $c_1(1-\mathrm{\Delta })$. Na rysunku c) pokazano uproszczoną interpretację geometryczną przyczyn, dla których prędkości modów są zróżnicowane. Impuls światła wzbudzony w światłowodzie ma kształt krzywej Gaussa. W miarę propagacji na długości L impuls rozszczepia się zachowując „Gaussowski” kształt, zmienia się natomiast jego szerokość, którą wylicza się z podanych zależności dla konkretnego typu światłowodu. Zastosowanie światłowodów o profilu gradientowym, w których zróżnicowanie prędkości propagacji modów jest mniejsze, w granicach o $c_1$ do $c_1(1-{\mathrm{\Delta }}^2/2)$, powoduje że dyspersja modowa jest mniejsza i szerokość impulsu na wyjściu jest dużo mniejsza (razy $\mathrm{\Delta }/2$, co średnio oznacza że szerokość impulsu jest mniejsza od 100 do 2000 razy). Dyspersja modowa dominuje w światłowodach wielomodowych natomiast nie występuje w światłowodach jednomodowych.

---

Krótki impuls promieniowania zajmuje pewną szerokość spektralną. Jeżeli prędkość grupowa zależy od częstotliwości (czas propagacji zależy od długości fali), to mamy do czynienia z dyspersją chromatyczną. Współczynnik dyspersji chromatycznej $D_C$ związany jest z czasem propagacji. Dwa identyczne impulsy o dwóch różnych długościach fali różniących się o $\delta \lambda$ po propagacji na długości L są względem siebie opóźnione o $\delta \tau$. W miarę propagacji impuls światła o szerokości spektralnej ${\sigma }_{\lambda }$ poszerza się. D[ps/km.nm] jest współczynnikiem dyspersji, który mówi o tym, o ile pikosekund poszerzy się impuls o szerokości widmowej 1 nanometra po transmisji na długości 1 kilometra. Efekt dyspersji będzie objawiał się rozmywaniem i zachodzeniem na siebie impulsów. Znając wartość współczynnika dyspersji chromatycznej D można zdefiniować maksymalną częstotliwość B bit/sekundę transmitowanych impulsów. Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle B\Delta T=BL\left |D|\right \Delta \lambda <1} Można wyróżnić dwa składniki dyspersji chromatycznej: dyspersję materiałową, związaną z zależnością współczynnika załamania od długości fali, opisana parametrem $D_{\lambda }$, dyspersję falowodową, związana z zależnością $v_g(\lambda )$, opisana parametrem $D_W$. Dyspersja chromatyczna jest zatem sumą dyspersji materiałowej i dyspersji falowodowej.

---

Dyspersja materiałowa Szkło z którego wykonywane są światłowody jest materiałem dyspersyjnym czyli jego własności optyczne zależą od długości fali (częstotliwości). Zarówno współczynnik załamania płaszcza, jak i rdzenia zależy od pulsacji $\omega$. Zatem wartość prędkości grupowej $v_g$ i wartość prędkości fazowej $v_f$ fali płaskiej rozchodzącej się w nieograniczonym ośrodku, w przypadkach gdy wypełniony jest ośrodkiem dyspersyjnym, jest różna. Koniecznym jest w takim przypadku zdefiniowanie obok współczynnika załamania n także grupowego współczynnika załamania N. Oba współczynniki n i N są funkcją częstotliwości. Związek pomiędzy współczynnikami n i N pokazuje wzór (1). Natomiast na wykresie przedstawiono zależność współczynników załamani n i N od długości fali dla czystego szkła ($Si{O}_2$). Zatem dyspersja materiałowa to zależność grupowych współczynników załamania materiałów z których wykonano światłowód od częstotliwości (długości fali).

---

Współczynnik dyspersji materiałowej $D_{\lambda }$ liczony jest z opóźnienia $d\tau (\omega )$ fali płaskiej dla impulsu o częstotliwości ${\omega }_0$ i ${\omega }_0+d(\omega )$, co przedstawiono przy pomocy wzoru (1), po którego przekształceniach otrzymuje się zależność opisującą współczynnik dyspersji materiałowej (2). Jak zatem widzimy dyspersja materiałowa zależy od częstotliwości (długości fali świetlnej). Dyspersja materiałowa dla światłowodu wykonanego z $Si{O}_2$ wynosi 0 dla 1300 nm. Dyspersja materiałowa jest zwykle większa, niż falowodowa.

---

Dyspersja falowodowa związana jest z zależnością efektywnego współczynnika załamania od częstotliwości, uwzględniającego podział mocy danego modu między rdzeń i płaszcz. Dyspersja falowodowa $D_W$ liczona jest zwykle dla modu podstawowego, którego prędkość grupowa wynosi $v_g(\lambda )$. Dyspersja falowodowa ma przeciwny znak i częściowo kompensuje dyspersję materiałową. W światłowodach jednomodowych dominuje dyspersja chromatyczna. Poza omówionymi dwoma typami dyspersji, dyspersją modową (występującą jedynie w światłowodach wielomodowych) i dyspersją chromatyczną istnieje jeszcze trzeci typ dyspersji - dyspersja polaryzacyjna – PMD (ang. Polarization Mode Dispersion). W światłowodzie jednomodowym rozchodzą się dwa mody o odmiennych polaryzacjach. Zmiany geometrii światłowodu prowadzą do tego, że mody te rozchodzą się z różnymi prędkościami. W efekcie kształt impulsu światła po przejściu przez światłowód zostaje zmieniony (impuls zostaje rozmyty) i do czynienia mamy z dyspersją polaryzacyjną.

---

Chcąc skompensować dyspersję stosuje się specjalne światłowody kompensujące lub siatki Bragga. Do kompensacji w przypadku transmisji jednokanałowej mogą służyć siatki Bragga. Siatki mogą być jedynie przestrajane, ale nie nadają się do systemów wielokanałowych – DWDM (ang. Dense Wavelength Division Multiplexing). Dlatego w systemach telekomunikacyjnych stosuje się głównie włókna kompensujące. Jedynym ograniczeniem tej metody jest stała długość włókna przez co rozwiązanie to jest bezużyteczne w sieciach z przełączaniem optycznym. Gdzie długość łącza może być zmienna. Przez odpowiednie uprofilowanie współczynnika załamania w rdzeniu można przesunąć położenie 0 do pasma 1550 nm, albo uczynić płaskim przebieg charakterystyki $D(\lambda )$. Różne profile współczynnika załamania rdzenia powodują przesunięcie charakterystyki dyspersji albo jej spłaszczenie w pożądanym paśmie. Światłowody z przesuniętą dyspersją –DSF (ang. dispersion shifted fibers) mają mniejsze średnice rdzenia niż w światłowodzie standardowym, np. $5\mu m$ w porównaniu z $10\mu m$. Odpowiedni dobór współczynników załamania rdzenia i wielowarstwowego płaszcza pozwala uzyskać spłaszczenie charakterystyki dyspersji (ang. dispersion flattened fiber), aby przechodziła przez zero w obu oknach transmisji.

---

W światłowodowym łączu optycznym promieniowanie diody LED albo lasera musi być wprowadzone do światłowodu. Wiązka wypromieniowana przez diodę LED jest stosunkowo szeroka i wprowadzenie jej do światłowodu nie jest sprawą prostą. Przy sprzężeniu wiązki ze światłowodem jednomodowym sprawność sprzężenia nie jest większa, niż 1%. Wiązka wypromieniowana przez diodę laserową jest węższa i sprawność sprzężenia ze światłowodem wynosi w typowych przypadkach 40-50%. Na rysunkach pokazano struktury sprzężenia lasera ze światłowodem jednomodowym. Wykorzystano w nich soczewki kuliste. Działanie poszczególnych elementów układów jest proste i czytelne.

---

W wielu przypadkach należy połączyć ze sobą światłowody spawając je ze sobą albo bez spawania rdzeni i płaszczy. Stosujemy różne precyzyjne złącza mechaniczne, pokazane na rysunkach a)-d), gdzie kolejno przedstawiono a) złącze trwałe – spawane, b) złącze trwałe – klejone, c) złącze rozłączalne z centrowaniem stożkowym, d) złącze rozłączalne z kolimacją soczewkową. Wybór połączenia zależy od konkretnego przypadku. Spawanie światłowodów przeprowadza się wtedy kiedy dysponujemy za krótkim odcinkiem światłowodu i chcemy go wydłużyć. Do spawania używa się spawarek światłowodowych, które pozwalają na bardzo szybkie i precyzyjne połączenie włókien. Tłumienie dobrze wykonanych spawów wynosi 0,02 dB. Natomiast w przypadku kiedy potrzebujemy połączyć światłowód z innym elementem toru optycznego stosujemy tzw. złączki czyli złącza rozłączalne. Tego typu rozwiązania wprowadzają znacznie większe tłumienie. Tłumienie obecnie stosowanych złączek średnio wynosi od 0,2 dB do 0,3 dB, czyli jest dziesięciokrotnie większe niż w przypadku spawów.

---

Złącza mechaniczne zawsze wprowadzają niewielkie straty mocy optycznej. Prezentowane na rysunku charakterystyki pozwalają oszacować te straty w zależności od rodzaju niedoskonałości połączenia.

---

Kable światłowodowe zbudowane są z wielu włókien światłowodowych. Ze względu na konstrukcje kabla wyróżnia się: luźne konstrukcje tubowe, zawierające włókna światłowodowe umieszczone luźno w tubach w ilości od 1 do 10 włókien. Kabel dodatkowo wzmacniany jest elementem wytrzymałościowym i wypełniony jest żelem zabezpieczającym przed wilgocią, ścisłe konstrukcje tubowe, w których włókna chronione są nanoszoną na nie tubą polimerową. Następną warstwą chroniącą tubę z włóknem optycznym są włókna wzmacniające z włókien szklanych i z poliamidów aromatycznych. Powłoka zewnętrzna to np. tworzywo PCV. Wyróżniamy kable zewnętrzne i wewnętrzne. Oczywiście w zależności od miejsca położenia kable będą się różniły. Kable zewnętrzne przeznaczone są do układania w kanalizacji lub zakopywania w ziemi (kable opancerzone). Są one narażonych na ataki gryzoni stosuje się więc wzmocnioną powłokę. Kable wewnętrzne stosuje się wewnątrz budynków. Kabel te nierozprzestrzeniają płomieni lub wykonane są z tworzyw nie wydzielających przy spalaniu halogenów i dymu. Osobną grupę stanowią kable napowietrzne: samonośne lub podwieszone. Kable te bowiem narażone są na działanie wilgoci, słońca i temperatury. Zakres temperatur pracy powinien być jak najszerszy, dlatego wszystkie kable zewnętrzne i uniwersalne mogą pracować od temperatury -40°C do +75°C. Kable napowietrzne muszą być odporne na działanie słońca i promieni UV, które mogą odbarwiać materiał płaszcza kabla i degradować strukturę materiału.

---

Omówione wcześniej światłowody jednomodowe są dotychczas niezastąpionym medium transmisyjnym na duże i średnie odległości. Niestety wraz ze skracaniem długości łącz optycznych (poniżej 1000-500 metrów) stają się one nieekonomiczne – koszt łącza jest wysoki. W związku z tym na niewielkich odległościach czy w sieciach lokalnych wykorzystuje się światłowody plastikowe - POF (ang. Plastic Optical Fibers). W porównaniu do kabli miedzianych odznaczają się one wysoką przepustowością choć dużo mniejszą niż światłowody krzemowe, nie są wrażliwe na zakłócenia polem elektromagnetycznym. Dużo większe rozmiary rdzenia, jak i światłowodu pozwalają na łatwe łączenie włókien i stosownie tańszych źródeł światła (np. diody LED). Niestety odznaczają się dużo większą tłumiennością w porównaniu do światłowodów krzemowych. Na wykresie obok przedstawiono charakterystyki dla różnych typów światłowodów. Spośród światłowodów plastikowych najlepszymi własnościami propagacyjnymi odznaczają się światłowody o szklanym rdzeniu i plastikowym płaszczu (granatowa charakterystyka). Dotychczas nie został wynaleziony żaden materiał, który odznaczałby się niższym tłumieniem niż kwarc.

---

Poszukiwania innego typu światłowodu o lepszych własnościach niż światłowody jednomodowe cały czas trwają. W ostatnich latach bardzo dużo uwagi poświęca się światłowodom fotonicznym – PCF (ang. Photonic Crystal Fibers), które wykorzystują mikrostrukturalne ułożenie materiału o niskim współczynniku załamania wewnątrz materiału o wysokim współczynniku załamania. Rdzeń wykonany z czystego $Si{O}_2$ lub jest domieszkowany germanem, a płaszcz wykonany z czystego $Si{O}_2$ lub jest domieszkowany fluoremTypy włókien różnią się: ułożeniem i liczbą wydrążeń, stopniem wypełnienia rurek przez powietrze, rodzajem materiału i rozmiarem rdzenia. W skrajnym przypadku rdzeń może być nawet otworem pustym lub wypełnionym powietrzem. W takim przypadku światło prawie nie będzie tłumione, a impulsy świetlne niosące bity informacji nie będą się rozszerzały tak, jak w zwykłych światłowodach telekomunikacyjnych. Jak wynika z częściowo opracowanej teorii propagacji światła dla takich włókien, będą one kilkaset razy lepsze od światłowodów tradycyjnych, zarówno pod względem odległości transmisji, jak i szybkości przesyłania informacji. Jednakże na dzień dzisiejszy światłowody te są w sferze badań, a ich ceny są bardzo wysokie.

---

Poza omówionymi w tym wykładzie światłowodami włóknistymi istnieje jeszcze druga grupa światłowodów – światłowody planarne, które mają całkowicie inną budowę i charakteryzują się bardzo dużym tłumieniem. Nie nadają się one do transmisji sygnałów na większe odległości, natomiast są z powodzeniem stosowane w urządzeniach wchodzących w skład toru optycznego. Swoje zastosowanie znalazły na przykład w sprzęgaczach kierunkowych czy multiplekserach. Widzimy, że włókniste światłowody krzemowe posiadają niezwykłe własności, w związku z czym nie będzie łatwym znalezienie innego, lepszego medium transmisyjnego.

---

Pytania sprawdzające

(jeśli potrafisz na nie odpowiedzieć, to znaczy, że opanowałeś/aś materiał wykładu)

1. Wymień cechy charakterystyczne światłowodu.
2. Co to jest „apertura numeryczna”?
3. Światłowód wielomodowy o profilu skokowym i gradientowym: opisz cechy, podobieństwa i różnice.
4. Światłowód jednomodowy: jak stworzono warunki propagacji tylko jednego modu.
5. Naszkicuj charakterystykę tłumienia falowodu i wymień charakterystyczne zakresy (okna) wykorzystywane do transmisji sygnałów.
6. Dlaczego światłowód jest tak chętnie wykorzystywaną prowadnicą falową?
7. Wymień rodzaje dyspersji.
8. Co można zrobić, aby zmniejszyć dyspersję?

---

Test

1. Apertura numeryczna światłowodu (NA) zależy od:

a) promienia rdzenia

b) stosunku promienia rdzenia do promienia płaszcza

c) od współczynników załamania płaszcza i rdzenia

d) od kąta granicznego

Odpowiedź

c) od współczynników załamania płaszcza i rdzenia

d) od kąta granicznego

---

2. Liczba propagowanych modów zależy od

a) promienia rdzenia

b) promienia płaszcza

c) długości fali świetlnej

d) współczynników załamania płaszcza i rdzenia

e) profilu rdzenia

f) od długości światłowodu

Odpowiedź

a) promienia rdzenia

c) długości fali świetlnej

d) współczynników załamania płaszcza i rdzenia

e) profilu rdzenia

---

3. Standardowy światłowód telekomunikacyjny jednomodowy to taki, którego stosunek promienia rdzenia do promienia płaszcza wynosi

a) 8/125

b) 50/125

c) 85/125

d) 100/140

Odpowiedź

a) 8/125

---

4. Największa wartość tłumienia dla światłowodów telekomunikacyjnych odnotowuje się w

a) pierwszym oknie telekomunikacyjnym

b) drugim oknie telekomunikacyjnym

c) trzecim oknie telekomunikacyjnym

d) jest taka sama dla wszystkich długości fal

Odpowiedź

a) pierwszym oknie telekomunikacyjnym

---

5. W światłowodach jednomodowych największy wpływ na zniekształcenie impulsów ma

a) dyspersja modalna

b) dyspersja materiałowa

c) dyspersja polaryzacyjna

d) dyspersja falowodowa

Odpowiedź

b) dyspersja materiałowa

d) dyspersja falowodowa

---

6. Które z podanych poniżej zestawów parametrów światłowodu zapewniają propagację tylko jednego modu dla fali o długości $\lambda =1550nm$ (Czyli kiedy mamy do czynienia ze światłowodem jednomodowym?)

a) promień rdzenia $a=3\mu m$; współczynnik załamania rdzenia $n_1=1,46$, współczynnik załamania płaszcza $n_2=1,45$

b) promień rdzenia $a=5\mu m$; współczynnik załamania rdzenia $n_1=1,46$, współczynnik załamania płaszcza $n_2=1,45$

c) promień rdzenia $a=6\mu m$; współczynnik załamania rdzenia $n_1=1,4585$, współczynnik załamania płaszcza $n_2=1,4555$

d) promień rdzenia $a=50\mu m$; współczynnik załamania rdzenia $n_1=1,46$, współczynnik załamania płaszcza $n_2=1,45$

e) promień rdzenia $a=3\mu m$; współczynnik załamania rdzenia $n_1=1,45$, współczynnik załamania płaszcza $n_2=1,46$

Odpowiedź

a) promień rdzenia $a=3\mu m$; współczynnik załamania rdzenia $n_1=1,46$, współczynnik załamania płaszcza $n_2=1,45$

c) promień rdzenia $a=6\mu m$; współczynnik załamania rdzenia $n_1=1,4585$, współczynnik załamania płaszcza $n_2=1,4555$

---

Słownik

• apertura numeryczna – to graniczny kąt $2\theta$ określający największą wartość kąta padania, dla którego promieniowanie trafi do rdzenia.

• częstotliwość znormalizowana – zależy od wartości stosunku promienia rdzenia do długości fali i różnicy współczynników załamania pomiędzy rdzeniem a płaszczem światłowodu, częstotliwość znormalizowana >> 1 kiedy liczba modów jest duża.

• demultipleksja – przeciwieństwo multipleksji.

• dyfrakcja – odchylenie się biegu promieni np. świetlnych od prostolinniowosci, zachodzące w pobliżu krawędzi ciał nieprzezroczystych, a także na wąskich (w porównaniu z długością fali) szczelinach.

• dyspersja – polega na rozmywaniu impulsu wysyłanego przez światłowód.

• filtry optyczne – porządkują pasmo optyczne lub separują sygnały.

• izolatory – izolują powracający sygnał optyczny lub mogą występować jako polaryzatory. Posiadają niski parametr strat tłumienności.

• kabel światłowodowy – składa się z jednego do kilkudziesięciu włókien światłowodowych. Medium transmisyjne światłowodu stanowi szklane włókno wykonane najczęściej z domieszkowanego dwutlenku krzemu ( o przekroju kołowym) otoczone płaszczem wykonanym z czystego szkła (SiO2), który pokryty jest osłoną (buforem). Dla promieni świetlnych o częstotliwości w zakresie bliskim podczerwieni współczynnik załamania światła w płaszczu jest mniejszy niż w rdzeniu, co powoduje całkowite wewnętrzne odbicie promienia i prowadzenie go wzdłuż osi włókna.

• kąt krytyczny – zapewnia całkowite wewnętrzne odbicie

• krytyczna długość fali (graniczna) – gdy $\lambda >{\lambda }_c$ tylko jeden mod będzie propagowany, zależy od promienia rdzenia i różnicy współczynników załamania pomiędzy rdzeniem a płaszczem światłowodu.

• mod – każdy mod charakteryzuje się innym przestrzennym rozkładem pola EM, innymi wartościami: stałej propagacji, prędkości grupowej i fazowej, polaryzacji i tłumienia. W światłowodzie propagowane są mody TM, TE, HE i EH (hybrydowe). Liczba propagowanych modów zależy od wartości stosunku promienia rdzenia do długości fali.

• prędkość fazowa – zależy od ośrodka, modu i częstotliwości, jest to prędkość rozprzestrzeniania się fazy fali w danym ośrodku (np. prędkość rozprzestrzeniania się maksimum fali monochromatycznej).

• prędkość grupowa – prędkość transmisji informacji/energii. Obliczamy ją jako prędkość transmisji obwiedni modulacji amplitudy sygnału optycznego, prędkość przemieszczania się tzw. pakietu falowego powstałego w wyniku nałożenia się fal harmonicznych (monochromatycznych) o zbliżonych częstościach (np. huku, dudnień, sygnałów świetlnych).

• profil współczynnika załamania –decyduje o właściwościach transmisyjnych światłowodu np. profil skokowy, gradientowy.

• rezonator optyczny – jest to układ optyczny zbudowany z dwóch zwierciadeł (półprzepuszczalnych lub jednego odbijająceo i jednego półprzepuszczalnego) ustawionych w odległości będącej całkowitą wielokrotnością wybranej długości fali.

• rozproszenie Rayleigh’a – wywołane jest lokalnymi niejednorodnościami, które rozpraszają część mocy, powodując odbicia i rozproszenie poza światłowód.

• sprzęgacz – umożliwiają podział sygnału optycznego ze względu na moc i długość fali świetlnej. Zadaniem ich jest wprowadzanie światła z jednego lub więcej światłowodów wejściowych do jednego lub więcej światłowdów wyjściowych, innym zadaniem jest podział mocy z jednego lub więcej światłowodów wejściowych do jednego lub więcej światłowdów wyjściowych. Na sprzęgaczach oparte są rozgałęzione sieci optyczne.

• stała tłumienia – określa szybkość malenia mocy propagowanej fali.

• światłowód – falowód służący do przesyłania promieniowania świetlnego. Najczęściej w postaci włókna szklanego. Współczynnik załamania rdzenia większy niż współczynnik załamania płaszcza.

• światłowód jednomodowy – propagowany jest tylko jeded modróżnica współczynników odbicia rdzenia i płaszcza jest niewielka i wynosi zaledwie 0,005.

• tłumik optyczny – ich zadaniem jest stałe lub regulowane tłumienie sygnału optycznego, umożliwiają podłączenie pojedynczego kanału do jednego z wielu kanałów

• współczynnik załamania światła – charakteryzuje zjawisko załamania fali. Wyróżnia się współczynnik załamania bezwzględny, równy stosunkowi prędkości światła w próżni do prędkości fazowej fali w danym ośrodku, oraz względny – dowolnego ośrodka II względem ośrodka I – równy ilorazowi współczynników załamania bezwzględnych ośrodków II i I. Współczynnik załamania zależy od długości fali.

---

Bibliografia

1. J. Siuzdak. Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ, Warszawa, 1999.
2. K. Holejko. Optyczne sieci telekomunikacyjne, Polsoft, Poznań, 1998.
3. M. Szustakowski. Elementy techniki światłowodowej, WNT, Warszawa, 1992.
4. K. Perlicki. Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych, WKŁ, Warszawa, 2002.
5. A. Majewski. Podstawy techniki światłowodowej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1997

---